Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 324

Abb. 5.19 Strömungssimulation eines wassergekühlten Kollektors mit Luftfüllung im Kollektor-
kasten (links). Berechnete Isothermen im Kollektormittelschnitt (rechts); oben bei i glob = 545 W/m 2
kein Wassermassenstrom, (mitte) Wassermassenstrom 1.36 g/s und i glob = 480 W/m 2 und unten
i glob = 545 W/m 2 Wassermassenstrom 1.36 g/s (Selmi et al. 2008 )
Abb. 5.19 zeigen berechnete zweidimensionale Temperaturverteilungen bei einer Sonnen-
einstrahlung von 545 W/m 2 . Im obersten Bild ist die Temperaturverteilung für den Ausfall
einer Wasserpumpe dargestellt. Bei einem Pumpenausfall steigen die Temperaturen im
Absorber und im Absorberrohr schnell an. Läuft die Pumpe mit einem Massenstrom von
1.36 g/s bei dieser solaren Einstrahlungsleistungsdichte, so ergibt sich der unterste Graph
in Abb. 5.19 . Bei dieser Einstrahlungsleistung bildet sich im luftgefüllten Kollektor eine
Konvektionsströmung aus, die zu erhöhten Wärmeverlusten an der oberen Glasabdeckung
führt. Bei einer solaren Einstrahlungsleistung von 480 W/m 2 ergibt sich bei gleichem
Wassermassenstrom durch die Kollektorrohre keine Konvektionsströmung innerhalb des
Kastens; die Temperaturschichtung der Luft im Kollektorkasten bleibt stabil geschichtet
und damit ist der Wirkungsgrad des Kollektors am höchsten. Das Beispiel zeigt, dass sich
ohne eine Modellierung der Auftriebseffekte in der Impuls- und auch Energiegleichung
ein nicht der realen Physik entsprechendes Temperaturfeld eingestellt hätte. Ob und in
welcher Art auftriebsbehaftete Konvektion eine Rolle spielt, beleuchtet das nachfolgende
Unterkapitel.
Im Ergebnis führen lokale fluiddynamische Berechnungen der Temperatur- und Strö-
mungsverteilung innerhalb des Kollektorkastens nur dann zu einem gesicherten Ergeb-
nis, sofern nach Festlegung der beteiligten Medien beziehungsweise der Abmessungen
die Strömungsform durch die Bildung geeigneter Kennzahlen identifiziert und mit Hilfe
analytischer Überlegungen und Korrelationen die Größenordnung der im betrachteten
Kontrollvolumen auftretenden Prozesse analysiert worden ist. Lediglich dann können ad-
äquate Modell- und Berechnungsansätze ausgewählt und verwendet werden und damit die